Вопросы Интернет-образования, №14/2003 2003

Изучение CAD/CAM технологий в профильной технологической школе, или как сделать виртуальные вещи реальными

Современные компьютерные технологии позволяют создавать (проектировать) трехмерные компьютерные модели самых разнообразных и необходимых в жизни вещей. И, более того, изготавливать их на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Речь идет о так называемых CAD/CAM технологиях.

CAD (Computer Aided Design) – технологии компьютерного проектирования изделий.

CAM (Computer Aided Machinery) - технологии изготовления изделий на станках с ЧПУ.

До недавнего времени такие технологии считались слишком сложными и дорогостоящими для освоения непрофессиональными пользователями и, соответственно, практически не изучались в средней школе.

Однако наш опыт опровергает это мнение. Более того, мы считаем изучение CAD/CAM технологий совершенно необходимым в 10-11 классах профильной технологической школы.

На чем основано это утверждение? В Самарском технологическом центре ОРТ был разработан учебный курс "Моделирование объектов и процессов" и учебное пособие "Автоматизированное проектирование и изготовление изделий. CAD/CAM технологии». (Самарский технологический центр ОРТ – отделение одной из крупнейших в мире неправительственных организаций "Образовательные ресурсы и технологический тренинг (ОРТ)" (www.ort.ru), работающей в сфере технологического образования с 1880 года.) Этот учебный курс и учебное пособие успешно апробированы и внедрены в учебный процесс школы №42 г. Самара. Рассмотрим основные положения данного курса.

3D модели – основа изучения CAD/CAM технологий

Известные примеры преподавания основ CAD технологий в школе показывают, что компьютерные программы используются на уроках черчения, или технологии (соответственно, эти уроки называют "Компьютерное черчение" или "Компьютерная инженерная графика»). При этом методика преподавания черчения, как правило, практически не изменяется, только вместо карандаша и линейки применяется компьютер, а вместо бумаги – экран монитора.

Однако современные методы компьютерного проектирования и изготовления изделий принципиально отличаются от тех, которые применялись раньше. В современных CAD/CAM системах используется так называемое трехмерное (3D) проектирование, в отличие от двумерного (2D), "плоского», которое применяется в устаревших методах. Созданная компьютерная 3D модель изделия может быть передана на станок с ЧПУ для ее автоматизированного изготовления.

Изменения в технологиях проектирования изделий требуют и новых методик обучения школьников этим технологиям. Современные методики должны быть построены на основе изучения компьютерного проектирования 3D объектов.

Разработанный учебный курс "Моделирование объектов и процессов" учитывает современные тенденции CAD/CAM технологий и позволяет решить следующие задачи:

• развить пространственное мышление;
• научить композиции и декомпозиции элементов трехмерного объекта;
• сформировать представление о формообразовании объекта;
• наглядно продемонстрировать современные технологии и оборудование для автоматизированного проектирования и изготовления изделий;
• научить проектировать и изготавливать изделия с помощью современных CAD/CAM систем;
• подготовить к осознанному выбору будущей профессии.

Учебный курс разработан с учетом дефицита школьного учебного времени. Он является интегрированным в некоторые другие школьные предметы: информационные технологии, технологию, рисование, черчение.

Изучение CAD технологий

В учебном курсе "Моделирование объектов и процессов" мы условно разделили CAD технологии на два направления: "техническое проектирование" и "художественное проектирование».

В направлении "техническое проектирование" школьники изучают основы компьютерного машиностроительного черчения и проектирования изделий (и плоскостные, и пространственные модели). В качестве программного обеспечения используется CAD система "Компас 3D LT». Эта система базируется на российских стандартах ЕСКД, обеспечена хорошими методическими пособиями для ее изучения. Немаловажно и то, что версия LT (то есть, некоммерческая версия) продается по цене носителя, на который она записана.

В направлении "художественное проектирование" школьники изучают основы компьютерного трехмерного проектирования (дизайна) предметов художественного и бытового назначения: барельефов, украшений, гравюр и т.д. В качестве программного обеспечения используется программа "3D Engrave», входящая в комплект фрезерного станка с ЧПУ Roland Modela MDX-15. Эта программа позволяет не только создать компьютерную модель изделия, но и произвести компьютерное моделирование процесса ее изготовления, автоматически сформировать управляющую программу для станка с ЧПУ.

Изучение CAM технологий

Использование CAM технологий дает возможность "овеществить», изготовить изделия, спроектированные с помощью CAD технологий. Без этого все, что спроектировано учащимся с помощью компьютера, так и останется существовать только в виртуальном мире. И это плохо. Ребенок не видит материальных результатов своего труда.

Однако CAM технологии практически не изучаются в школьном образовании.

Почему это происходит?

Станки с ЧПУ появились в конце 40-х годов прошлого века и до недавнего времени имели большие размеры, вес и стоимость. Работали они, в основном, в цехах на крупных заводах. И, конечно, в силу этого не могли быть использованы в школьном образовании.

Однако сейчас появились малогабаритные и относительно недорогие (как стоимость двух компьютеров) станки с ЧПУ, управляемые от персональных компьютеров. Такой станок может уместиться на письменном столе и будет являться вашим "персональным станком с ЧПУ" (по аналогии с названием "персональный компьютер»).

Одним из таких "персональных" малогабаритных станков является фрезерный станок с ЧПУ "Modela MDX-15», выпускаемый японской фирмой Roland. Этот станок и был выбран нами в качестве аппаратного обеспечения учебного курса. Он обладает привлекательными для учебного процесса характеристиками: относительно невысокая цена, небольшие габариты и вес, удобство и простота эксплуатации, наличие в комплекте поставки мощного программного обеспечения. То есть, с одной стороны, этот станок имеет все атрибуты профессиональных CAD/CAM систем, а с другой стороны, легко адаптируется для работы со школьниками. Программное обеспечение станка (программы 3D Engrave, Virtual Modela, Modela Player и др.) позволяет осуществить все стадии разработки и изготовления изделия:

• формирование (разработка) компьютерной 3D модели изделия;
• компьютерное моделирование процесса изготовления изделия;
• формирование управляющей программы и изготовление изделия на станке с ЧПУ.

Немаловажна и возможность импорта файлов 3D моделей формата stl, dxf, разработанных с помощью других CAD систем (например, AutoCAD, Компас), для последующего их изготовления. Этой возможностью широко пользуются школьники в рамках нашего учебного курса. Разработав 3D модель машиностроительного профиля в CAD системе "Компас" и сохранив ее в формате stl, далее они импортируют ее в программу Modela Player и с помощью нее изготавливают эту деталь на станке Modela MDX-15.

Интересно, что Modela MDX-15 не только фрезерный станок, но и трехмерный сканер. То есть станок позволяет с помощью специальной головки сканировать реальный трехмерный объект в компьютер и далее работать с ним как с трехмерной компьютерной моделью.

Для изучения в школе CAD/CAM технологий с использованием фрезерного станка с ЧПУ Modela MDX-15 было разработано учебное пособие "Автоматизированное проектирование и изготовление изделий. CAD/CAM технологии». Пособие состоит из 153 листов текста и иллюстраций, множества примеров и заданий. Оно разбито на 34 параграфа с учетом стандартной продолжительности учебного года (34 учебные недели) и рассчитано на изучение в течение 34 учебных часов (по 1 часу в неделю).

Итоги апробации учебного курса

Апробация представленного учебного курса и учебного пособия в самарской школе №42 в 2001-2003 учебных годах показала, что школьники успешно, а главное с большим интересом и даже удовольствием осваивают CAD/CAM технологии. Некоторые работы, выполненные учащимися в течение года, представлены ниже в иллюстрациях. Интересно, что наиболее удачные проекты созданы девочками, которые проявили художественные способности и профессиональные навыки.

Описанные в статье учебный курс и учебное пособие экспонировались на Российском образовательном форуме "Школа 2003" (г. Москва) и на Международной промышленной выставке "Промышленный салон 2003" (г. Самара). На нашем стенде на выставке "Промышленный салон 2003" две школьницы 10 класса самарской школы №42 на глазах у удивленной публики (а это были ведущие специалисты крупных промышленных предприятий) проектировали с помощью CAD системы "Компас-3D" некоторые типовые детали общего машиностроения и изготавливали их на фрезерном станке с ЧПУ Roland Modela MDX-15. Причем, освоили они эти технологии всего за 1 год обучения.

Положительные отзывы, оставленные в книге посетителей наших стендов на этих выставках, стали новыми доводами в пользу возможности и необходимости изучения CAD/CAM технологий в школе.

Надеемся, что наши разработки в этой области окажутся полезными и заинтересуют преподавателей технологических дисциплин в учебных заведениях общего и профессионального образования любого уровня.

---

Другие статьи...